异步电动机的模糊软起动仿真①

樊立萍，张 亮

（沈阳化工学院信息工程学院，沈阳 110142）

交流异步电动机应用广泛、维护方便，但是异步电动机直接起动会产生较大的冲击电流，使配电系统中产生较大压降，影响其他设备的正常运行，加速电机的老化及机械损坏；而采用软起动控制技术能够抑制电动机的起动电流，并在限制时间内将它驱动到额定转速［1］。软起动时，起动电流一般为额定电流的2～3倍，电网电压波动率一般在10%以内，对其它设备的影响非常小；最大电流降低一半左右，瞬间发热量仅为直接起动的1／4左右，绝缘寿命会大大延长；软起动时电机端电压可以从零起调，可完全免除过电压伤害。软起动，有液阻软起动、磁控软起动和晶闸管软起动等方式，其中以晶闸管软起动方式最优，其主电路采用晶闸管交流调压器，用电流反馈控制使输出电压连续地改变来保证恒流起动［2］。

交流异步电动机的软起动过程是非线性的，常规控制方法是采用传统精确PID控制，这种控制方法是建立在被控对象的经学数学模型上的，不能摆脱由非线性和参数变化带来的影响；而且PID参数整定要求较高，很难满足实际生产要求，故采用传统的PID控制方法往往不能达到满意的控制效果［3］。

模糊控制作为一种有别于传统控制理论的控制方法，具有不需要对象数学模型、能充分运用控制专家的经验信息及具有良好鲁棒性的优点。本文采用模糊控制算法，根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小；基于MATLAB仿真软件，实现交流异步电动机软起动控制的模拟运行。

1 感应电机数学模型

根据交流电机理论，考虑铁心损耗的异步电机的单相静态等值电路可以用图1来表示。图中的Lm为互感系数，Rm为铁心等效电阻，它与输入电源的频率、磁通大小及变化率有关系。

图1 异步电动机等值电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of induction motor

磁链方程

电磁转矩

其中uds、uqs、udr、uqr、Ψds、Ψqs、Ψdr和Ψqr为d、q坐标系下感应电机定子、转子的电压和磁链；p为时间微分算子；Lss＝Lm＋L1s；Lrr＝Lm＋L1r；Rs、Rr和L1s、L1r分别为定子和转子绕组的电阻及漏感。电机起动电流公式

其中Us为定子相电压；np为磁极对数；w为角频率；RS、R′r和L1s、L′1r分别为定子、转子电阻和漏感。

对于一般的异步电动机，起动电流和起动转矩等于额定值的倍数大约为

采用软起动控制方法减小起动电流，可以获得良好的起动效果［1］。

2 电机软起动原理

软起动是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新型电机控制方式。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。

T2、T3时间点A组的VAS疼痛评分低于B组（P＜0.05）。同时在泵注过程中未发现因为心率减慢和低血压而导致泵注剂量减少的情况。见表2。

电动机软起动器的主电路采用晶闸管交流调压电路实现降压起动，晶闸管控制方式采用相位控制，控制其导通角。当使用软起动器起动电机时，随着晶闸管输出电压的逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定的机械特性上，从而，电动机实现平滑起动，降低起动电流；待电机达到额定转速时，起动过程结束。此时，软起动器可自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以便降低晶闸管的热损耗，延长其使用寿命，提高工作效率，使电网避免了谐波污染。另外，根据电机学原理，当电动机的输入电源频率不变时，电动机的输出转矩与输入电压的平方成正比。因此，软起动不仅使电动机电压连续平滑的增加，实现了升压限流控制，而且避免了电动机起动转矩的冲击［4，5］。

3 软起动控制系统设计

3.1 软起动系统构成

现代带电流闭环的电子控制软起动器可以限制起动电流并保持恒值，直到转速升高后电流自动衰减下来，其起动时间短于直接起动及一级减压起动。

图2 软起动控制系统框图Fig.2 Block diagram of soft－start control system

交流异步电动机软起动控制系统由三相交流电压源、晶闸管调压器、同步电压采集和异步电动机构成。其中，三相晶闸管的每一相都由两个反并联的晶闸管构成；同步电压采集的信号由交流电源相电压获得，并作为脉冲发生器的基准参照信号，确保信号的正确触发；通过检测获得三相电流，经由调节器输出的脉冲触发角信号送到脉冲生成器；脉冲生成器利用同步电压信号调节相位脉冲，控制触发角时刻和大小［2，4，6］。

3.2 模糊控制器设计

在模糊控制器中，其输入变量为交流电机定子实际输出电流与期望值的偏差e及其偏差的变化率ec，输出变量u为晶闸管触发角调节量。设e和u论域均为｛－10，－6，－3，0，3，6，10｝，相应的模糊集合为｛PB，PM，PS，P0，N0，NS，NM，NB｝，分别表示正大、正中、正小、正零、负零、负中和负大。ec论域为｛－10，－6，－3，0，3，6，10｝，相应的模糊集为｛N，Z，P｝，分别表示负、零和正。隶属度函数形状对模糊控制器的性能有很大影响。当隶属度函数比较窄时，控制较灵敏；反之，控制较粗略和平稳。隶属度函数可按正态分布算得到。图3和图4为模糊控制器变量e（u）、ec的隶属度函数曲线［7，8］，其中

图3 e的隶属度函数Fig.3 Membership functions of e

图4 ec的隶属度函数Fig.4 Membership functions of ec

模糊推理系统采用Mamdani类型，即采用如下形式的模糊蕴含关系：

if（e is A）and（ec is B）then（u is C）

模糊控制规则是模糊控制器的核心，本系统的模糊控制规则由模糊判决采用加权平均原则获得，即由下式计算得到模糊规则。

式中：u0为清晰化值，ui为自变量的取值，μc（ui）为对应于ui的隶属度。

4 仿真结果

在建立好良好的交流电机软起动控制系统仿真模型基础上，对控制系统进行计算机仿真。选用电动机参数如下。

P＝1.3 k W，Rs＝0.453Ω，Rr＝0.816Ω，Lm＝0.069 H，J＝0.089 kg·m2，基频为50 Hz，极对数为2。

在仿真过程中，采用恒定负载转矩11.87 N·m，仿真时间为3 s。并分别对交流电动机直接起动控制系统及模糊软起动器实现的控制系统进行仿真。

图5至图7为电机采用直接起动方式的仿真结果；图8至图10为采用模糊控制方法实现的软起动控制方式的仿真结果。

图5 直接起动定子电流曲线Fig.5 Stator current curve under direct start

图6 直接起动转速曲线Fig.6 Speed curve under direct start

图7 直接起动转矩曲线Fig.7 Torque curve under direct start

图8 模糊软起动定子电流曲线Fig.8 Stator current curve under fuzzy soft－start

图9 模糊软起动转速曲线Fig.9 Speed curve under fuzzy soft start

图10 模糊软起动转矩曲线Fig.10 Torque curve under fuzzy soft start

由图5至图10可见，基于模糊控制方法，定子电流和转矩在起动瞬时冲击量明显减弱，变化趋于平稳。所以采用模糊规则建立的基于模糊软起动控制方法，能有效抑制起动电流，从而减少过大起动电流和转矩对设备的损坏。

5 结论

仿真研究表明，采用模糊控制算法实现的软起动控制系统，能有效降低起动电流，且起动过程平稳、可靠，冲击电流小，能达到起动过程恒流控制的目的。

［1］ 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］ 谢仕宏，徐冬丽，张兴涛，等（Xie Shihong，Xu Dongli，Zhang Xingtao，et al）.交流电机模糊软启动控制器的设计及仿真研究（Design ＆simulation study of AC motor fuzzy soft－start controller）［J］.陕西科技大学学报（Journal of Shaanxi University of Sciences ＆Technology），2006，24（3）：85－89.

［3］ 诸静.模糊控制原理与应用［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［4］ 李金，粟梅（Li Jin，Su Mei）.基于模糊控制电机软启动器的设计（Design of soft motor starter based on fuzzy control）［J］.控制工程（Control Engineering of China），2004，11（S1）：71－74.

［5］ 林国艳（Lin Guoyan）.异步电动机软起启动器的研究（The Research of the Soft Starter for Asynchronous Motor）［D］.大连：大连理工大学电气工程及应用电子技术系（Dalian：Department of Electrical and Electronics Engineering，Dalian University of Technology），2006.

［6］ 贾国荣，张方（Jia Guorong，Zhang Fang）.电子式软启动下感应电机的启动过程（Electric soft start－up process of induction motors）［J］.电力系统及其自动化学报（Proceeding of the CSU－EPSA），2005，17（3）：24－27，68.

［7］ 袁佑新，赵彦威，丁一（Yuan Youxin，Zhao Yanwei，Ding Yi）.基于模糊控制的交流电机软起动器研究（Study on AC motor soft starter based on fuzzy control）［J］.电气传动（Electric Drive），2006，36（5）：13－15.

［8］ 刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真［M］.北京：电子工业出版社，2004.